專利名稱：用于控制/調整動態(tài)系統(tǒng)的物理量的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于使用脈沖調制器、而將系統(tǒng)(特別是動態(tài)系統(tǒng)，例如微機械傳感器)的物理變量控制或調整到特定的期望值或期望值輪廓(profile)的方法，其中通過該脈沖調制器而生成離散調制信號序列，并且其中所述信號影響物理變量的控制或調整。本發(fā)明還涉及用于使用脈沖調制器、同時將系統(tǒng)(例如，微機械傳感器)的至少兩個物理變量控制或調整到特定的期望值或期望值輪廓的方法，其中通過該脈沖調制器而生成離散調制信號序列，從而產生物理變量的控制或調整。
背景技術：
微機械傳感器是已知的。通常用于測定轉速的科里奧利陀螺儀(Coriolisgyroscopes，也被稱為振動陀螺儀)是這樣的傳感器的顯著例子?？评飱W利陀螺儀具有被引起振動的質量體系統(tǒng)(mass system)。通常，該振動是各個振動的多倍的疊加。質量體系統(tǒng)的各個振動最初彼此獨立，并且，在理論上，可在每個情況下均被視為“諧振器(resonator)”。對于科里奧利陀螺儀的操作，需要至少兩個諧振器這些諧振器中的一個(第一諧振器)被人為激勵至振動，這在后面被稱為“自激振動”。隨后，當移動/旋轉科里奧利陀螺儀時，將另一個諧振器(第二諧振器)激勵至振動。在此情況下，出現(xiàn)科里奧利力，其將第一諧振器與第二諧振器耦合(couple)，從第一諧振器的自激振動獲取能量，并將所述能量變換為第二諧振器的讀出振動(readout vibration)。后面，將第二諧振器的振動稱為“讀出振動”。為了確定科里奧利陀螺儀的移動(特別是旋轉)，拾取讀出振動，并檢查對應的讀出信號(例如，讀出振動傳感器信號(pick-off signal))，以確定是否已出現(xiàn)了讀出振動的幅度的改變，這代表對科里奧利陀螺儀的旋轉的測定?？蓪⒖评飱W利陀螺儀實現(xiàn)為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩者。在閉環(huán)系統(tǒng)中，通過對應的控制環(huán)路，不斷地將讀出振動的幅度復位為固定值，優(yōu)選為0。
下面，將“諧振器”理解為表示可能包含機械彈簧(mechanical spring)的振動質量體系統(tǒng)(vibratory mass system)。在此說明書中，為此目的還將術語“諧振器”用作同義詞。
對于科里奧利陀螺儀的詳細功能，例如，對未審查德國申請DE 102 48 733A1進行參考?，F(xiàn)有的科里奧利陀螺儀(具體地，DE 102 48 733 A1中描述的科里奧利陀螺儀)具有這樣的缺點，即需要多個數(shù)模轉換器，以便從數(shù)字復位或調整信號生成對應的力脈沖。然而，數(shù)模轉換器較昂貴，并需要可觀的電力。此外，它們相對不適于與其它電子元件集成，由此，對微型化施加了限制。
為了避免此缺點，在現(xiàn)有技術中，針對用脈沖調制器來替代數(shù)模轉換器而作出了規(guī)定。隨后，使用脈沖調制器的量化的輸出信號來替代數(shù)模轉換器的模擬輸出信號。
下面，通過參照圖1而更詳細地說明這樣的科里奧利陀螺儀。
圖1示出了電子估算(electronic evaluation)/控制系統(tǒng)1，其特征在于電荷放大器(charge amplifier)2、模數(shù)轉換器3、信號分離(separation)4、第一解調器5、第二解調器6、控制系統(tǒng)7、二維脈沖調制器8、第一和第二力脈沖(force impulse)變換單元9、10、以及第一至第四力生成器電極111至114。
使用附圖標記2至11而標識的器件總體形成兩個控制環(huán)路用于設置自激振動的幅度、頻率和相位的一個控制環(huán)路；以及用于設置讀出振動的幅度、頻率和相位的另一個控制環(huán)路。
如圖1所示，根據該發(fā)明的電路僅具有模數(shù)轉換器3，而無數(shù)模轉換器。在此，用二維脈沖調制器8、以及兩個力脈沖變換單元9、10來替代數(shù)模轉換器。
下面，更詳細地說明根據該發(fā)明的電子估算/控制系統(tǒng)的功能。
為了設置諧振器R的自激振動/讀出振動的幅度、或頻率、或相位，二維脈沖調制器8生成第一和第二三元量化輸出信號S1、S2，其中，在第一力脈沖變換單元9中，將第一三元量化輸出信號S1變換為力脈沖信號(電壓信號)S3、S4。對應地，通過第二力脈沖變換單元10將第二三元量化輸出信號S2變換為力脈沖信號(電壓信號)S5、S6。優(yōu)選地，在每個情況下，三元量化輸出信號S1、S2可呈現(xiàn)值1、0和-1。如果信號S1具有值+1，那么，例如，第一力脈沖變換單元根據信號S1而生成兩個力脈沖信號S3、S4，其引起力脈沖。這些力脈沖信號S3、S4在第二和第四力生成器電極112、114、以及諧振器R之間生成電場，由此，使力脈沖起作用。如果信號S1具有值-1，則生成力脈沖信號S3、S4，使得所得到的力脈沖的方向與在S1＝1的情況下生成的力脈沖的方向相反。如果信號S1具有值0，則在第二和第四力生成器電極112、114、以及諧振器R之間不存在電場、或存在相互平衡的兩個電場。因此，每個力脈沖是在力生成器電極112和諧振器R之間、或在力生成器電極114和諧振器R之間存在的單個電場的結果。
根據下表，例如，因此，在第二和第四力生成器電極112、114上呈現(xiàn)下面的電位(0或U0)

如果電位U0具有負運算符號，則作為該電位的積分的所得到的力總是為正。由第二力脈沖變換單元10變換為第五和第六力脈沖信號S5、S6的第二三元量化輸出信號S2也適用對應的考慮，其中，在第一和第三力生成器電極111、113施加第五和第六力脈沖信號S5、S6。例如，經由力生成器電極112、114而設置/控制自激振動的參數(shù)，并且，經由力生成器電極111、113而設置/控制讀出振動的參數(shù)。
除了導致諧振器R的激勵之外，對力生成器電極111至114施加電場使電荷流向移動中央電極(moving central electrode)。經由電荷放大器2而測定此電荷，由模數(shù)轉換器3將對應的模擬輸出信號S7轉換為對應的數(shù)字信號S8，利用信號分離4，根據數(shù)字信號S8而生成第一數(shù)字讀出信號S9和第二數(shù)字讀出信號S10。由于流入中央電極的電荷取決于被瞬時施加電場的那些力生成器電極111至114的電容，所以，針對諧振器R的自激振動/讀出振動的幅度或頻率或其它參數(shù)而測定流動的電荷。因此，可取決于三元量化輸出信號S1、S2的瞬時和/或時間上較早的輸出信號值，由信號分離4重構諧振器R的移動中的瞬時移動/改變。如果出現(xiàn)正和負電位+/-U0，則信號分離4在重構期間必須考慮電位U0(在力生成器電極111至114上存在的電壓)的運算符號。
有利地，二維脈沖調制器8被配置為使得三元量化輸出信號S1和S2不會同時改變，這是由于，通常累加性地測定流到中央電極上的電荷，即，只能作為整體而測定源自兩個電場的疊加的電荷轉移，并且因此，不可能將部分電荷轉移分配給各個電場。隨后，三元量化輸出信號S1和S2之間的附加條件使得有可能實現(xiàn)將流動的電荷明確分配到特定電場，并且因此，有可能在自激振動和讀出振動之間精確地區(qū)分。此上下文中的另一個可能的條件在于，確保僅允許兩個信號S1和S2中的一個在給定瞬間呈現(xiàn)除了0之外的值。
通過第一解調器5而將第一數(shù)字讀出信號S9解調為實部S11和虛部S12。類似地，通過第二解調器6而將第二數(shù)字讀出信號S10解調為實部S13和虛部S14。例如，第一數(shù)字讀出信號S9包含有關自激振動的信息，而第二數(shù)字讀出信號S10包含有關讀出振動的信息。第一和第二數(shù)字讀出信號S9、S10的實部和虛部S11至S14到達控制系統(tǒng)7，其取決于這些信號而生成激勵/補償信號S15至S18。例如，信號S15表示用于自激振動的數(shù)字激勵/補償信號的實部，且信號S16表示其虛部，而信號S16表示用于讀出振動的數(shù)字激勵/補償信號的實部，且信號S18表示其虛部。
將數(shù)字激勵/補償信號S15至S18提供到二維脈沖調制器8，其根據所述信號而生成三元量化輸出信號S1、S2。
上述控制原理(使用數(shù)字脈沖序列用于調整物理變量)不限于自激振動/讀出振動的控制，而是還可以以多種不同方式應用在特征在于諧振器的靜電激勵或復位的微機械傳感器(“MEMS”微電機系統(tǒng))中，具體地，在上述科里奧利陀螺儀中，例如，頻繁地需要將諧振器的諧振頻率設置為預定值。這可使用可通過電壓來設置其(正或負)彈簧常數(shù)(spring constant)的靜電復位彈簧而實現(xiàn)。通常，諧振器由其上懸掛振動質量體系統(tǒng)的機械彈簧(優(yōu)選為并聯(lián)連接)、以及振動質量體元件自身構成。可通過結合圖1而說明的控制系統(tǒng)而設置這樣的諧振器的諧振頻率。這意味著，不同于模擬可設置電壓，生成數(shù)字脈沖序列，其將諧振頻率“微調(trim)”為與脈沖的平均值相對應的諧振頻率。例如，通過9000Hz和9200Hz的固有諧振的靜電復位彈簧的對應的切換序列(即，通過包括兩個脈沖值的對應的脈沖序列)，有可能設置9100Hz的固有諧振。如上所述，這具有這樣的優(yōu)點，即可省略具有相對高的功耗的昂貴的數(shù)模轉換器。因此，有可能使用離散脈沖來調整或設置諧振器的諧振頻率(例如，圖1中示出的諧振器的諧振頻率、或雙諧振器的諧振頻率)?？蔀榇四康亩褂梦丛趫D1中示出的分離的控制環(huán)路和分離的力生成器電極。在重構例程期間，附加地，圖1中示出的信號分離隨后將必須考慮調整諧振頻率所需的信號/力生成器電極。
可以證明，為了將諧振頻率調整/設置為特定值，選擇確保脈沖的平均頻率與可切換的自然頻率極限值內的期望的自然頻率的相對位置相對應的簡單的分配方法是不足的。事實上，這可能具有這樣的結果，即由于所謂的參數(shù)振蕩器效應，振動質量體元件會經受不可控的幅度和相位波動，這在極限情況下會導致阻尼減小(deattenuation)、或者甚至諧振器的不穩(wěn)定的狀況(“參數(shù)效應”)。這類似地適用于要通過離散脈沖序列來將任意物理變量設置/調整到特定值。

發(fā)明內容
本發(fā)明解決指定用于控制/調整微機械傳感器的(或者，更一般地，動態(tài)系統(tǒng)的機械傳感器的)物理變量的方法的問題，所述方法允許可能在此情況下出現(xiàn)的參數(shù)效應的抑制。具體地，提供了用于將諧振器的彈簧常數(shù)數(shù)字化地調整到預定諧振頻率、并同時抑制參數(shù)效應的方法。
為了解決此問題，本發(fā)明提供了如專利權利要求1和專利權利要求9所述的方法。本發(fā)明還提供了如專利權利要求8和專利權利要求15所述的裝置?？稍趶膶贆嗬笾姓业奖景l(fā)明的構思的有利實施例或發(fā)展。
所公開的用于將動態(tài)系統(tǒng)的物理變量控制或調整為特定的期望值或期望值輪廓的方法利用了脈沖調制器，其生成實現(xiàn)物理變量的控制或調整的離散調制信號序列，并且，其特征在于，重復執(zhí)行以下步驟a)首先，確定物理變量的瞬時期望值和瞬時實際值之間的偏差的確切值或近似。
b)隨后，確定將源自瞬時調制信號的維持、或到其它調制信號的切換的偏差的相關改變。
c)最后，選擇將導致瞬時期望值的最佳近似的那個調制信號。
作為重復執(zhí)行步驟(a)至(c)的結果，實現(xiàn)將物理變量控制或調整為期望值或期望值輪廓。作為所公開的方法的基礎的重要原理在于，在每個重復步驟中，即每次在執(zhí)行步驟(a)之后，確定所有可生成的調制信號對物理變量的瞬時實際值、或對作為利用近似而估計的物理變量的實際值的影響。換句話說，在脈沖調制器實際生成對應的調制信號、并因此具有對物理變量瞬時值的影響之前，模擬各個調制信號的影響。在模擬中，選擇對物理變量具有“最佳”影響(即，導致瞬時期望值的最佳近似)的那個調制信號。這樣的控制/調整方法的優(yōu)點在于，其可容易地與用于其它物理變量的控制/調整方法相組合，并同時防止參數(shù)效應的抑制。
所公開的方法可特別有利地應用于具有諧振器的微機械傳感器。在此情況下，例如，要被控制或調整的物理變量可為諧振器的諧振頻率?？商鎿Q地，還可控制或調整諧振器的振動的幅度或相位。所公開的方法還可被應用于動態(tài)系統(tǒng)，如加速計中的鐘擺系統(tǒng)(pendulum system)、具有可設置的頻率(例如，用于生成時鐘頻率)的振蕩器(電、電機、機械)。其它適用系統(tǒng)包括可設置的帶通濾波器、石英濾波器(quartz filter)等?？捎筛鶕景l(fā)明的方法來調整與這些系統(tǒng)結合使用的所有相關物理變量。本發(fā)明不限于在上面明確列出的動態(tài)系統(tǒng)。
如上所述，在步驟(a)中，可確定物理變量的瞬時期望值和瞬時實際值之間的偏差的確切值、或該偏差的近似。為調整諧振器的諧振頻率，確定偏差的近似是有利的。其原因在于，在具有復位的微機械傳感器(閉環(huán)系統(tǒng))中，不斷地將必須被控制的諧振器的讀出振動的幅度復位為0，并且，由此不能檢查到振動，并且，因此，也不能讀出瞬時諧振頻率。可這樣解決此問題，其中，為了調整諧振器的諧振頻率的目的，模擬將源自調制信號序列到達諧振器的諧振器振動響應(假設定義的初始幅度和初始相位)，并且，在模擬中，選擇調制信號序列，以便產生用于諧振器的振動的期望值輪廓的最大精確的近似。在此上下文中，用于振動的期望值輪廓的頻率是必須被控制的諧振器諧振頻率?！罢嬲摹敝C振器受到由此得到的調制信號序列的影響。
“振動響應”被理解為意味著諧振器對調制信號序列的反應，即，源自調制信號序列的諧振器的固有振動(衰落過程)。關于在模擬中實現(xiàn)的衰落過程，應理解，在模擬中，諧振器經歷初始偏轉(初始幅度、初始相位)，并且隨后不干預諧振器，并且，盡管調制信號序列(其對衰落過程的影響在模擬中測試)調整衰變(衰減)的衰落過程的相位和幅度(到理想期望值)，但其對于初始偏轉的相位和幅度“不起作用”(這是“概要條件(outlinecondition)”，且與調制信號序列無關)。
因此，取決于調制信號序列而模擬真實的振動器的衰減的衰變固有振動過程，并且，在每個重復步驟或時間步驟(時間離散數(shù)字調制方法)中，將作為先前的調制信號的結果而引起的振動響應與系統(tǒng)將在必須被調整的諧振頻率的情況下顯示的理想固有振動相比較。確定所有可生成的調制信號對模擬的真實諧振器的瞬時振動狀態(tài)的影響，并且，在下一個重復步驟中，模擬中的諧振器受到(expose to)調制信號的影響，該調制信號導致用于振動的理想期望值輪廓的最佳近似(即，產生理想(自然)的振動輪廓和模擬的真實(自然)的振動輪廓之間的最佳匹配)。
例如，可通過在真實諧振器的振動狀況的模擬中、將振動響應(固有振動)的幅度和相位同時控制到特定的期望值或期望值輪廓，而實現(xiàn)用于調整諧振頻率的調制信號序列的生成。為此d)為每個可生成的調制信號計算有效總偏差，從瞬時期望值和如在模擬中調整的對應值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自此調制信號的維持(如果在先前的重復步驟中選擇了此調制信號)、或到此調制信號的切換(如果在先前的重復步驟中選擇了不同的調制信號)。
e)選擇所計算的有效總偏差最小的那個調制信號。
f)反復重復步驟d)和e)，即，在每個重復步驟中，步驟d)和隨后的步驟e)被執(zhí)行一次。
當生成調制信號序列時，相應地，同時考慮兩個物理變量(幅度和相位)。因此，“有效總偏差”為“全局”誤差，其表示用于可生成的調制信號的相位誤差和幅度誤差的和。因為“全局”誤差被保持為盡可能的小(步驟e)，所以，總是將調整的優(yōu)先級賦予對總偏差貢獻最多(即，具有最大的“調整需要”)的物理變量。
如果以上述方式、將模擬的幅度和相位調整到用于振動的理想的期望值輪廓，則“自動地”設置諧振器的優(yōu)選諧振頻率。
為了改善精度，同時模擬源自到達諧振器的調制信號序列的兩個諧振器振動響應(固有振動)是適用的。對于這里的每個振動響應，將振動響應的幅度和相位同時調整到特定期望值/期望值輪廓。將一個振動響應的期望相位相對于另一個振動響應的期望相位移位相位π/2。在此情況下g)對于每個可生成的調制信號，在每個情況中對所述兩個模擬分配有效總偏差，從模擬的瞬時期望值和如在模擬中調整的對應值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自此調制信號的維持(如果在先前的重復步驟中選擇了此調制信號)、或到此調制信號的切換(如果在先前的重復步驟中選擇了不同的調制信號)。
h)從所述兩個模擬累加關于同一調制信號的有效總偏差。
i)選擇如在先前步驟中計算的總和最小的那個調制信號。
j)在每次重復中，將步驟g)至i)各執(zhí)行一次。
本發(fā)明還提供了用于將動態(tài)系統(tǒng)的物理變量控制/調整為特定的期望值/期望值輪廓的實體，其中，所述實體具有脈沖調制器，通過該脈沖調制器，有可能生成實現(xiàn)物理變量的控制/調整的離散調制信號序列。該裝置的特征在于-比較單元，通過該比較單元，有可能確定物理變量的瞬時期望值和瞬時實際值之間的偏差的確切值或近似。
-計算單元，其連接到比較單元，并且通過該計算單元，有可能計算對于由比較單元確定的、并將源自瞬時調制信號的維持或到其它調制信號的切換的偏差的相關改變，以及-判定單元，其連接到計算單元，并且取決于由比較單元計算的偏差改變，判定哪個調制信號導致瞬時期望值的最佳近似，其中，可由判定單元控制由脈沖調制器生成的調制信號序列。
本發(fā)明還提供了用于使用脈沖調制器、而將動態(tài)系統(tǒng)的至少兩個物理變量同時控制或調整為特定的期望值或期望值輪廓的方法，所述脈沖調制器生成離散調制信號序列，所述序列實現(xiàn)物理變量的控制/調整，并且，其特征在于重復執(zhí)行以下步驟a)首先，對于每個可生成的調制信號而計算有效總偏差，從物理變量的瞬時期望值和對應的實際值之間的偏差的確切值或近似的和得到所述總偏差，其將源自此調制信號的維持(如果在先前的時鐘周期中選擇了此調制信號)或到此調制信號的切換(如果在先前的時鐘周期中選擇了不同的調制信號)。
b)將所計算的有效總偏差最小的那個調制信號用于控制/調整(在下一個時鐘周期中)。
c)作為重復執(zhí)行步驟a)和b)的結果，實現(xiàn)將物理變量控制或調整為對應期望值或期望值輪廓。作為所公開的方法的基礎的重要原理在于，在每個時鐘周期(重復步驟)中，確定所有可生成的調制信號對物理變量的瞬時實際值、或對作為利用近似而估計的物理變量的實際值的影響。換句話說，在脈沖調制器實際生成對應的調制信號、并因此具有對物理變量瞬時值的影響之前，模擬各個調制信號的影響。在模擬中，選擇對物理變量具有“最佳”影響(即，導致瞬時期望值的最佳近似)的那個調制信號(“貫穿所有可能性”原理)。這樣的控制/調整方法的優(yōu)點在于，理論上，可同時調整無限數(shù)目的物理變量，并還可實現(xiàn)參數(shù)效應的抑制。
所公開的方法可特別有利地應用于具有諧振器的微機械傳感器。例如，要被控制/調整的物理變量可為諧振器的諧振頻率、或諧振器的自激振動和/或讀出振動的幅度或相位。
如上所述，在步驟a)中，有可能確定物理變量的瞬時期望值和瞬時實際值之間的偏差的確切值、或該偏差的近似。為了調整諧振器的諧振頻率，例如，確定偏差的近似是有利的。其原因在于，在具有復位的微機械傳感器(閉環(huán)系統(tǒng))中，不斷地將其讀出振動必須被調整的諧振器的讀出振動的幅度復位為0，并且，由此不能檢查到振動，并且因此，也不能讀出瞬時諧振頻率。如果在調整諧振器的諧振頻率時、如下確定與此相關的諧振頻率偏差近似(見在文本中的上面的步驟a))，則可解決此問題-模擬諧振器的固有振動過程，其中，諧振器將在特定振動初始條件下、且在受到于由脈沖調制器在先前生成的調制信號影響之后執(zhí)行該過程，-計算每個可生成的調制信號將對模擬的諧振器的固有振動過程具有的影響，并且，將假想產生的固有振動輪廓與其振動頻率為必須被調整的諧振頻率的、具有相同的振動初始條件的固有振動期望值輪廓相比較，-其中，假想產生的固有振動輪廓與固有振動期望值輪廓之間的偏差表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
在前面的段落中描述的方法的概括中，倘若可找到用于這些變量/參數(shù)/系統(tǒng)的可數(shù)值化模擬的模型(例如加速計的調整)，則有可能利用模擬來確定任意物理變量或任意系統(tǒng)(例如，非線性和/或時間相關系統(tǒng))的參數(shù)的偏差近似。理論上，還有可能基于模擬而調整所有相關變量/參數(shù)。
因而，取決于調制信號序列而模擬真實諧振器的衰減的衰變固有振動過程，并且，在每個重復步驟或時鐘周期中，將源自先前的調制信號的固有振動與理想系統(tǒng)在要被調整的諧振頻率的情況下將顯示出的“理想”的固有振動相比較。確定所有可生成的調制信號對模擬的真實諧振器的瞬時振動狀態(tài)的影響，并且在下一個時鐘周期期間，模擬中的諧振器受到在步驟b)中選擇的調制信號的影響，即(針對必須被同時調整的所有物理變量的)有效總偏差最小的調制信號。
例如，可通過將假想產生的固有振動輪廓與固有振動期望值輪廓的對應幅度和相位彼此比較，而完成所述輪廓的比較。在此情況下，針對每個可生成的調制信號而計算總偏差，從用于幅度和相位的瞬時期望值和對應模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自此調制信號的維持、或到此調制信號的切換。在此上下文中，總偏差表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
當將模擬的固有振動與固有振動期望值輪廓相比較時，因此同時考慮兩個物理變量(幅度和相位)。因此，術語“總偏差”表示“全局”誤差，其在此實施例中表示與可生成的調制信號相關的相位誤差和幅度誤差的和。類似地，“有效總誤差”表示全局誤差，其中，此全局誤差的一部分表示在此實施例中確定的總偏差，而該全局誤差的另一部分源自必須被進一步調整的至少一個物理變量的偏差。因為使全局誤差保持為盡可能的小(步驟b))，所以，總是將調整的優(yōu)先級賦予對有效總偏差貢獻最多(即，具有最大的“調整需要”)的那個物理變量。
如果以上述方式、將模擬的幅度和相位“微調”到用于固有振動的理想的期望值輪廓，則自動地將諧振器的優(yōu)選諧振頻率設置為期望值。
為了改善根據本發(fā)明的方法的精度，同時模擬諧振器的兩個固有振動過程是合適的，其中，針對幅度和相位，將每個固有振動過程與相關期望值/期望值輪廓相比較，并且，將一個固有振動過程的期望相位相對于另一個固有振動過程的期望相位移位相位π/2。在此情況下-對于每個可生成的調制信號，在每個情況中對所述兩個模擬分配總偏差，從用于幅度和相位的瞬時期望值和對應模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自此調制信號的維持、或到此調制信號的切換，并且，-累加來自所述兩個模擬的關于同一調制信號的總偏差，其中，在先前步驟中計算的總偏差和表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
本發(fā)明還提供了用于將動態(tài)系統(tǒng)的至少兩個物理變量同時控制或調整為特定的期望值/期望值輪廓的實體。該實體具有脈沖調制器，通過該脈沖調制器，有可能生成離散調制信號序列，所述序列實現(xiàn)物理變量的控制/調整。該實體的特征還在于計算單元，其對于每個可生成的調制信號而計算有效總偏差，從物理變量的瞬時期望值和對應的實際值之間的偏差的確切值或近似的和得到所述有效總偏差，其將源自此調制信號的維持、或到此調制信號的切換。還另外提供了判定單元，該判定單元連接到計算單元，并取決于由計算單元計算的有效總偏差而判定對于哪個調制信號來說、所計算的有效總偏差將最小，并控制脈沖調制器，以便生成對應的調制信號。


下面，通過參照附圖以示例實施例的形式更詳細地說明本發(fā)明，附圖中圖1示出了包括脈沖調制器的科里奧利陀螺儀的電子估算/控制系統(tǒng)的示意圖，圖2示出了具有振動質量體的機械系統(tǒng)的仿真(連續(xù)圖示)，圖3示出了圖2中示出的仿真的矢量化圖示，圖4示出了圖2中示出的仿真的離散化圖示，圖5示出了圖2中示出的仿真的對稱離散化圖示，圖6示出了圖2中示出的仿真的第一替換對稱圖示，圖7示出了圖2中示出的仿真的第二替換對稱圖示，圖8示出了圖5中示出的圖示的時間相關圖示，圖9示出了圖6中示出的圖示的時間相關圖示，圖10示出了圖7中示出的圖示的時間相關圖示，圖11示出了針對到達振動質量體的兩個調制信號的情況的、具有振動質量體的機械系統(tǒng)的仿真，圖12示出了圖11中示出的仿真的替換仿真，圖13示出了用于檢測相位和幅度誤差的系統(tǒng)，圖14示出了具有振動質量體、誤差檢測和決策(decision-making)實體的機械系統(tǒng)的仿真，圖15示出了具有附加的內部阻尼減小的、圖14中示出的仿真，圖16示出了當相位匹配在仿真中模擬的相位時、機械系統(tǒng)的振動質量體的衰落(die-away)過程，圖17示出了圖16中示出的衰落過程的頻譜，圖18示出了當相位不匹配在機械系統(tǒng)的仿真中模擬的相位時、機械系統(tǒng)的振動質量體的衰落過程，圖19示出了具有機械系統(tǒng)的振動質量體的兩個相移仿真的系統(tǒng)，圖20示出了已知的三元脈沖調制器的結構，圖21示出了力和四個調制信號能夠到達的機械諧振器的諧振頻率的相互關系，圖22示出了修改的三元脈沖調制器的結構，圖23示出了用于調諧機械諧振器的諧振頻率的實體的優(yōu)選實施例的結構，圖24示出了用于同時調整機械諧振器的諧振頻率、以及激勵或補償信號的實體的第一優(yōu)選實施例，以及圖25示出了根據本發(fā)明的用于控制機械諧振器的諧振頻率、以及激勵或補償信號的實體的第二優(yōu)選實施例。
在附圖中，通過相同的附圖標記來標識相同或相互對應的部件、或組件。
具體實施例方式
如上所述，所公開的方法同時允許設置諧振器的諧振頻率、以及激勵或復位諧振器的振動幅度。下面，通過參照圖2至19而說明用于調整諧振器的諧振頻率的優(yōu)選實施例。
為了允許更佳地理解，下面的描述簡要地說明了包括振動質量體的機械系統(tǒng)的理論原理、以及可如何將其表示為模擬或離散系統(tǒng)。
1、機械振動器(vibrator)的分析1.1微分方程假定這樣的振動系統(tǒng)，其通過振動器的質量m、衰減常數(shù)d(以N(m/s)為單位)、以及偏轉相關回力(deflection-dependent return force)(彈簧常數(shù))k(以N/m為單位)來表示。令振動器的偏轉為 彈簧力fk、衰減力(attenuationforce)fd和加速力(acceleration force)fb作用于振動器。如果現(xiàn)在施加外力 則建立了力平衡。
x~=fk+fd+fb---(1)]]>方程(1)的右手邊的力(內力)取決于振動器的移動，即，取決于其偏轉 及其起源(derivation)fk=ks2~---(2)]]>fd=dds2~dt---(3)]]>fb=md2s~2dt2---(4)]]>因此，導致下面的微分方程
md2s~2dt2=x~-ks~2-dds~2dt---(5)]]>現(xiàn)在，不妨假定T(最初)為任意恒定時間。如果現(xiàn)在將變量定義如下s~1=Tds~2dt---(6)]]>s~0=T2d2s~2dt2---(7)]]>那么，微分方程變?yōu)閟~0=x~T2m-s~2T2km-s~1Tdm---(8)]]>其具有附加條件s~1(t)=1T∫-∞ts~0(τ)dτ;s~2(t)=1T∫-∞ts~1(τ)dτ---(9)]]>1.2框圖可通過圖2中示出的框圖來圖解方程(8)。所述圖表示具有狀態(tài)變量 和 (積分器的輸出)的所謂的狀態(tài)變量形式。在矢量表示中，這產生圖3中示出的框圖，因子 和 成為矩陣A~=-Tdm1-T2km0;]]>C~=T2m0;]]>s~=s~1s~2---(10)]]>相關的狀態(tài)變量方程如下；s~(t)=1T∫-∞t(s~(τ)A~+x~(τ)C~)dτ---(11)]]>在圖中，用附圖標號20表征的部件表示將對應的輸入信號(或狀態(tài))與特定因子(或矩陣)相乘的運算器。用附圖標號21表征的部件表示基于特定因子而對對應的輸入信號進行積分的積分器。用附圖標號22表征的部件為延遲元件。用附圖標號23表征的部件為求和、或減法節(jié)點。
1.3離散化對于輸入信號 和參數(shù)，即元素(矩陣 和 的形式的)表征具有遞增寬度T的階躍函數(shù)(step function)的情況，可使用離散信號來對該系統(tǒng)進行離散化x(n)=x~(nT)---(12)]]>s(n)=s~(nT)---(13)]]>使得可通過圖4中示出的框圖來表示該系統(tǒng)。相應地A*(n)=eA~(nT)---(14)]]>C*(n)=C~(nT)(eA~(nT)-I)A~-1(nT)---(15)]]>
其中，I表示單位矩陣。對于在方程(10)中指定的矩陣，可通過方程(50)，以閉型(closed form)來表示A*A*=e-Td2mcos(h)-Td2msi(h)si(h)-T2kmsi(h)cos(h)+Td2msi(h);]]>h=Tkm-d24m2---(16)]]>1.4利用對稱結構的表示可根據方程(40)和(41)，將轉移矩陣A*表示為；A*＝M-1A′M(17)其中，M=h0-Td2m1---(18)]]>M-1=-1h0Td2mh1---(19)]]>A′=e-Td2mcos(h)sin(h)-sin(h)cos(h)---(20)]]>這產生圖5中示出的框圖。如果矩陣A*、C，以及因此M、M-1為常量，則可相對于求和節(jié)點23和延遲元件22而移位M，由此，產生圖6中示出的框圖?，F(xiàn)在，在延遲元件22的輸出上呈現(xiàn)下面的信號s′＝sM-1(21)可消除鏈連接(chain connection)MM-1＝I，這是因為，其表示單位矩陣(圖7)。然而，在此情況下，丟失原始的狀態(tài)矢量。由于變換方程(21)使狀態(tài)變量(位置變量)的第二分量不變，即，由于s2＝s2′，所以，在對稱系統(tǒng)中，位置變量保持可用。人為引入的對稱結構具有以下有利屬性如果將狀態(tài)變量s′＝[s1′ s2′]視為復數(shù)(標記(index))s＝s1′+js2′，則可將矩陣乘法A′s′化簡為兩個復數(shù)的乘法，即，As，其中，A‾=e-Td2m(cos(h)+jsin(h))=e-Td2m+jh---(22)]]>因此，可將該系統(tǒng)的衰落過程(對于x＝0)指定如下s(n+1)＝As(n)(23)在每個時間點上，復變量s具有定義明確的幅度|s|和相位＝arc(s)。具體地，還有可能指定瞬時頻率
這對于隨后的時間相關的情況的分析來說將是重要的。
1.5時間相關系統(tǒng)和參數(shù)效應在例如可變諧振頻率的時間相關效應的情況下，不允許以上變換。令A*＝A*(n) (25)C*＝C*(n) (26)隨后，下式根據A′和M時間相關A′＝A′(n)(27)M＝M(n)(28)如果現(xiàn)在期望對稱化，那么，首先產生如圖8中的系統(tǒng)。再次有可能將矩陣M(n)移動通過求和節(jié)點23和延遲元件22。然而，在此情況下，M(n)變?yōu)镸(n-1)(圖9)?，F(xiàn)在(通常)，鏈連接K(n)＝M(n-1)M-1(n)不再產生單位矩陣，并且因此，產生了圖10中示出的結構。現(xiàn)在，不妨假定由于作為時間的函數(shù)的彈簧常數(shù)k＝k(n)而建立了時間相關性。隨后，產生如下的校正矩陣K(n)=4k(n-1)m-d24k(n)m-d2001---(29)]]>可以看到，用于k(n)＝k(n-1)的校正矩陣為K(n)＝I，并且，這是所預計的。
2、用于彈簧常數(shù)的調制器所公開的生成最優(yōu)脈沖序列的實體基于以下考慮，其中所述最優(yōu)脈沖序列用于控制振動器的彈簧常數(shù)、同時實現(xiàn)參數(shù)效應的最優(yōu)抑制1、該實體包括用于所有可能的調制狀態(tài)(在此例子中為兩個狀態(tài))的真實振動器的確切的仿真。
2、假定給定的調制信號，則這允許虛擬衰落過程的模擬。
3、該實體包括優(yōu)選頻率上的理想的振動器的模型，并且因此，可根據量和相位來仿真其狀態(tài)變量。
4、例如，該實體可根據量和相位而確定真實振動器的仿真的狀態(tài)變量和理想的振動器的狀態(tài)變量之間的誤差。
5、該實體包括判定單元，例如，其通過預先計算下一個時鐘周期中的所有可能性、并選擇具有最小誤差的可能性，而選擇下一個調制狀態(tài)，使得真實和理想的振動器的仿真之間的誤差最小化。
2.1真實振動器的仿真首先，將使用以上實施例而示出針對具有兩個不同的自然頻率(ωa和ωb)的兩個調制狀態(tài)(a和b)的情況如何能夠導出真實振動器的仿真(而不限制總的適用性)。因此，矩陣 A*、A′、M在每個情況下呈現(xiàn)出兩個值，通過下標a和b而指示這些值，例如，Aa*、Ab*?？苫趫D5而導出圖11中的圖。
可在圖11中看到第一分支25和第二分支26。根據輸入狀態(tài)s，每個分支產生輸出狀態(tài)sa(第一分支)或sb(第二分支)。利用切換器24，將輸出狀態(tài)sa或sb中的一個提供到延遲元件22，并且因此，將其再次提供到所述兩個分支25、26，作為下一個時鐘周期中的新輸入狀態(tài)s。每個分支模擬瞬時振動狀態(tài)(通過輸入狀態(tài)s來表示)上的調制信號的效果(通過Aa*、Ab*來表示)。
由于當前僅關心衰落過程，所以，可從分析中排除輸入信號x和矩陣C。取決于優(yōu)選調制狀態(tài)，切換器選擇sa或sb作為有效狀態(tài)s。矩陣Aa′和Ab′為對稱系統(tǒng)的轉移矩陣，前連接(preconnected)和后連接(postconnected)矩陣Ma，b-1、Ma，b為將Aa，b′變換為原始(非對稱)系統(tǒng)的轉移矩陣Aa，b*的校正矩陣。因此，除了真實狀態(tài)sa，b之外，內部信號s′a，b(這些信號是對稱系統(tǒng)將具有的狀態(tài))也是可用的。提供對稱系統(tǒng)的狀態(tài)的原因在于，這些狀態(tài)尤其適于作為瞬時頻率和瞬時幅度的指示符。在下面討論、并且必須選擇切換器24的下一個切換設置的判定單元需要此信息作為判定準則。然而，如圖12所示，還可直接使用非對稱系統(tǒng)的轉移矩陣Aa，b*來實現(xiàn)真實振動器的仿真，而并不必須在對稱狀態(tài)變量之前。
2.2確定相位和幅度誤差如上所述，彈簧常數(shù)的調制應當以這樣的方式發(fā)生，即有關幅度和相位的真實振動器的仿真的衰落過程盡可能精確地遵循預定的期望函數(shù)。圖13示出了用于確定內建(build-up)過程的近似的偏差大小的實體。輸入信號s′是仿真的(對稱的)狀態(tài)變量的矢量。通過將狀態(tài)變量矢量解釋為復標記(complex index)，通過與e-jnω0t相乘，從中減去預定的期望函數(shù)的相位?，F(xiàn)在，使用結果{e1，e2}來確定相位e，即與缺省相關的相位偏移。也通過形成所述量而確定s′的幅度。在減去缺省的幅度a(n)之后，產生幅度偏差ae。最后，例如，可通過產生相位偏差和幅度偏差的平方和，而從相位偏差和幅度偏差導出總誤差e。在圖的右手邊上示出了該配置的簡化符號表示<E>。
因此，可將模塊<E>視為比較單元，利用該比較單元，有可能確定真實振動器的必須被調整的諧振頻率的瞬時期望值和瞬時實際值之間的偏差的近似。此外，可將模塊<E>視為比較單元，利用該比較單元，有可能確定在模擬中仿真的振動器的必須被調整的諧振頻率的瞬時期望值和瞬時實際值之間的偏差的確切值(精確地說，兩個確切值的和)。
還可不同地實現(xiàn)從模塊<E>的輸入信號確定總誤差e的方式，即模塊<E>的功能性；可使用其它總誤差準則。例如，有可能形成s′(n)和缺省信號Aejnω0t之間的差，并從中導出例如所述量或它的平方(將所述信號視為復數(shù))e=|s′(n)-Aejnω0t|]]>或e=|s′(n)-Aejnω0t|2.]]>2.3調制實體的判定元件為了能夠確定用于彈簧常數(shù)的調制信號，即，為了能夠制定在用于下一個時鐘周期的仿真中的切換的設置，關于相對于缺省信號的誤差，使用兩個塊<E>而分析兩個可能的將來對稱狀態(tài)sa′和sb′。后連接判定元件27比較兩個誤差ea和eb，并且，作為下一個切換設置，選擇在較小誤差的情況下測定狀態(tài)的切換設置?？稍O置其頻率ω0的、用于相位和幅度的基準生成器28生成基準相位nω0T和基準幅度a(n)，其對應于理想的振動器的值。a(n)是指數(shù)衰變函數(shù)，其具有取決于理想的振動器的質量因子的時間常量，即，α＝a(n)/a(n+1)＞1是恒定值?，F(xiàn)在，所示出的配置控制切換器，使得仿真的衰落過程遵循量和相位的平均的缺省。因此，可使用由判定元件生成的調制信號來控制真實的振動器的彈簧常數(shù)，結果，這個真實切換的振動器仿真出具有諧振頻率ω0的理想的非切換的振動器。
所提出的系統(tǒng)具有兩個不足。一個不足是實踐性，而另一個不足與原理相關。實踐性不足與這樣的事實相關，即仿真的信號的幅度跟隨缺省信號的幅度，并且是指數(shù)衰變函數(shù)。結果，信號不斷變小，直到由于數(shù)值問題的出現(xiàn)而造成校正功能不再可能為止?？赏ㄟ^將相關信號與衰變指數(shù)函數(shù)的倒數(shù)值(reciprocal value)相乘，而解決此問題。所生成的調制信號在此上下文中保持相同。這通過將轉移矩陣Aa*和Ab*與上述提到的因子α相乘而實現(xiàn)。這具有使仿真阻尼減小的效果。隨后，缺省幅度變?yōu)槌Ａ縜(n)＝1，并且因此，不再必須通過基準生成器生成缺省幅度。應注意，作為其結果，在此上下文中被控制的真實的物理振動器不再被阻尼減小，這是由于，通過此措施，調制信號保持不被影響。
該措施僅意欲確保調制信號生成器的數(shù)值穩(wěn)定連續(xù)操作。
還可直接從阻尼減小系統(tǒng)(d＝0)確定所述矩陣；在此情況下省略因子α。仿真的阻尼減小導致用于矩陣A*和M-1的簡化方程。因為d＝0，所以，現(xiàn)在其遵循h(huán)=ωT;ω=km---(30)]]>在此上下文中，ω是仿真的瞬時諧振頻率。由此，A~=01-ω2T20---(31)]]>A*=cos(ωT)sin(ωT)ωT-ωTsin(ωT)cosωT---(32)]]>M-1=-1ωT001---(33)]]>此處，通過將ω替換為ωa、ωb，從A*和M-1導出矩陣Aa*、Ab*，以及Ma-1、Mb-1。
現(xiàn)在，將討論使用所提出的系統(tǒng)的模擬的結果。選擇比率，以便可通過可切換的彈簧常數(shù)，而將真實的物理振動器切換為9000Hz或9200Hz的固有諧振。對于該模擬，選擇缺省為9100Hz的頻率。選擇初始條件，使得真實的振動器和仿真的相位相同。隨后，不干預真實的振動器；在圖16中圖解了關聯(lián)的衰落過程30。應當清楚，產生了良好的指數(shù)衰落過程，并且，如果對此函數(shù)進行傅立葉變換，則在9100Hz上出現(xiàn)陡峭的諧振峰31(圖17)。然而，如果重復模擬，并且不與在仿真中模擬的內建過程同相地啟動真實的振動器，則這導致如圖18所示的包絡曲線的未被控制的輪廓32。因此，應當清楚，允許模擬的衰落過程僅在一個相位位置中出現(xiàn)是不夠的。
2.4間隔π/2的兩個相位位置中的衰落過程的同步仿真可通過提供用于生成調制信號的兩個仿真，而克服所提到的不足，其中，在所述仿真中運行相位間隔π/2的兩個內建過程，其中，通過提供用于判定元件的集合誤差準則，而同時監(jiān)視和控制所述內建過程的相位和幅度(圖19)?？梢钥吹?，該仿真(圖15中示出的系統(tǒng))呈現(xiàn)兩次，成對的誤差分析模塊<E>也是如此。通過附圖標號40來表示第一仿真，而通過附圖標號50來表示第二仿真。對于下面的仿真，為相位缺省而添加π/2的恒定值，使得其衰落過程總是伴隨此相移而運行。對于判定元件，現(xiàn)在，必須通過例如簡單地相加，而組合切換狀態(tài)a和b中的相關誤差。如果現(xiàn)在使用此配置來控制真實的振動器的彈簧常數(shù)，則所述振動器的衰落過程在每個相位位置中正確地運行，并且，這可利用模擬來驗證。信號k(n)可用于控制脈沖調制器。
換句話說同時模擬振動器的兩個振動響應，所述響應是由傳感器受到調制信號序列的影響而產生的，其中，對于每個振動響應，將振動響應的幅度和相位同時調整到特定的期望值/期望值輪廓，并且，將一個振動響應的期望相位相對于另一個振動響應的期望相位移位相位π/2。通過求和節(jié)點35而實現(xiàn)期望相位的位移。對于每個可生成的調制信號，對所述兩個模擬分別分配從模擬的瞬時期望值和在模擬中調整的對應值之間的偏差的和(用于第二調制信號的eb1和eb2或ea1和ea2的和)導出的有效總偏差(在第一仿真中ea1用于第一調制信號、以及eb1用于第二調制信號；在第二仿真中ea2用于第一調制信號、以及eb2用于第二調制信號)，這將源自調制信號的維持、或向調制信號的切換。隨后，將與來自所述兩個模擬的相同的調制信號相關的有效總偏差相加(經由求和節(jié)點33和34)，由此產生和ea及eb。選擇在先前的步驟中計算的和(ea或eb)最小的那個調制信號。
再次簡要概述本發(fā)明的關鍵方面在微機械系統(tǒng)的情況下，經常期望通過控制靜電彈簧而電調諧振動器的自然頻率。作為要求在微型化和功耗的程度方面的需求的結果，期望省卻模擬控制、以及在此上下文中需要的DA轉換器?？赡艿奶鎿Q為數(shù)字脈沖調制方法，其中，以適當?shù)姆绞皆跁r間上分布在兩個極限值之間切換靜電彈簧常量的脈沖。分析示出了使用確保脈沖的平均頻率與極限值內的期望頻率的相對位置相對應的簡單的分布方法是不足的。為了解決此問題，提出了一種方法，其中，在指定的質量和頻率方面，仿真的模擬衰落過程盡可能精確地遵循真實振動器所要求的衰落過程。此近似中的未指定的參數(shù)是由近似過程生成的期望脈沖序列。已示出了必須由具有移位π/2的兩個相位位置的兩個仿真同時執(zhí)行衰落過程的近似。還示出了有可能在不改變結果的情況下切換到用于仿真的阻尼減小系統(tǒng)，其中，使脈沖調制器的連續(xù)操作成為可能。通過在這里生成的脈沖，以特定方式控制真實的振動器的靜電彈簧，并且隨后，可以期望的方式設置所述真實的振動器的諧振頻率。有效地抑制了參數(shù)效應。
在前面的描述中，通過參照諧振頻率的調整，而說明了本發(fā)明的“貫穿所有可能性原理(run through all possibilities principle)”(通過離散脈沖的有限組合可能性而成為可能)。下面的描述將討論此原理還可如何用于調整自激振動/讀出振動。通過例如參照圖20，首先說明在不應用“貫穿”原理的情況下可如何調整自激振動/讀出振動。
圖20示出了脈沖調制器的可能的實施例100的復數(shù)圖示。
復輸入信號x(t)包括均被表示為數(shù)字值的實部和虛部。在加法器節(jié)點101中，從復輸入信號x(t)減去復反饋信號102，其中，這兩個復信號之間的差表示調整偏差。另外，在加法器節(jié)點101中，將延遲元件103的內容(同樣也是復數(shù))加到此差。將延遲元件103的內容經由信號線104而提供到加法器節(jié)點101。延遲元件103和信號線104一起形成復積分器級，其對復調整偏差(即，輸入信號和反饋信號之間的差)進行積分。根據因子“a”，在放大器級106中放大積分信號105，并且，將放大信號107提供到第一乘法器級108。此處，將放大信號107乘以復混頻信號e-jω0t，由此得到被上混頻到頻率ω0的信號109。塊110確定復上混頻信號109的實部，并且，使由此得到的上混頻信號的實部111對于量化器112可用。
在圖20中示出的實施例的情況下，將量化器112實現(xiàn)為三元量化器，其借助比較器而將相關輸入信號轉換為脈沖信號的三個可能值-1、0、+1?？稍诹炕?12的輸出端拾取以此方式生成的量化的脈沖信號y(t)。為了生成復反饋信號102，在第二乘法器級113中，將實數(shù)值脈沖信號y(t)乘以復共軛的混頻信號e+jω0t。將通過實數(shù)和復數(shù)的相乘而由此得到的復反饋信號102提供到在該電路的輸入端上的加法器節(jié)點101。
以此方式，從復補償信號x(t)(與圖1中的信號S1和S2相對應的脈沖信號y(t))生成對應的調制信號序列，其對諧振器R的讀出振動復位，或產生諧振器R的自激振動的激勵。
脈沖調制器100具有這樣的缺點，即脈沖調制器100所使用的量化方法不適于與用于調整其它物理變量的方法(例如，用于調整諧振器的諧振頻率的方法)相組合。如果使用圖22中示出的脈沖調制器200、而不是圖20中示出的脈沖調制器100，則可避免這些缺點。這在下面的描述中討論。
所呈現(xiàn)的是包括相對于兩個控制電極E1和E2而對稱排列的移動電極的(微機械)諧振器。通過將電壓施加到控制電極，一方面，有可能對移動電極施力，并且因此對諧振器施力，另一方面，還可通過控制電極來影響振動器的諧振頻率。假定在所述電極上存在0或U0的電壓。在下表中給出了在此上下文中可能存在的力和諧振頻率的四個組合(還可見圖21)調制狀態(tài)/調制信號 E1E2力 頻率a 0 0 0 ωab 0 U0F0ωb
cU00 -F0ωcdU0U00 ωd假定完全對稱，則通常，在此應用ωa＞ωb＝ωc＞ωd。
在上表中指定的力F∈{-F0，0，F(xiàn)0}意味著三元激勵，即，使用其輸出信號被三元量化的脈沖調制器。因此，在用于調整諧振器的自激振動/讀出振動的幅度/相位的原理中，可使用圖20中示出的脈沖調制器。然而，如上面所指示的，如果要同時調整多個物理變量，則必須修改所述脈沖調制器。對于經由相同的控制電極的自激振動/讀出振動和諧振頻率的同時調整，根據本發(fā)明，使用基于誤差準則而操作的判定元件，來替代圖20中的量化器112。
圖22示出了可替代用于調整諧振器的自激振動/讀出振動的幅度和相位的脈沖調制器100而使用的、對應的調整單元200的優(yōu)選實施例。
調整單元200具有第一求和節(jié)點201、第二求和節(jié)點202、第三求和節(jié)點203、延遲元件204、切換元件205、第一至第四誤差塊206至209、以及判定元件210。
與圖20中示出的脈沖調制器100相比的關鍵差別在于，使用了判定元件210而不是量化器112。最初在信號線211至214上施加輸入信號x(t)，其中，在求和節(jié)點202中，將信號e-jω0t加到信號x(t)，并且，在求和節(jié)點203中，從信號x(t)減去信號e-jω0t。將對應的修改/不變的信號提供到誤差塊206至209，其確定所提供的信號對于輸入信號x(t)的瞬時期望值的偏差，或轉換所提供的信號，以便可通過判定元件210而識別對應的偏差。將對應的誤差信號(誤差塊206至209的輸出信號)提供到判定元件210，其通過分析所述誤差信號而判定誤差塊206至209的哪個輸入信號顯示相對于瞬時期望值最小的偏差，并控制切換元件205，以便將所確定的偏差最小的相關誤差塊的輸入信號施加到延遲元件204的輸入端(所述信號中的一個存在于傳感器(pick-off)215至218上)。將由此在瞬時時鐘周期中被存儲在延遲元件204中的信號在下一個時鐘周期中提供到節(jié)點201，其中所述節(jié)點將所述信號加到輸入信號x(t)。傳感器215至218中的每個對應于上表中列出的調制狀態(tài)/調制信號a)、b)、c)和d)。這意味著如果傳感器216連接到延遲元件204的輸入，則諧振器R受到調制信號b)的影響(即，將力F0施加到控制電極)，如果傳感器217連接到延遲元件204的輸入端，則諧振器R受到調制信號c)的影響(即，將力-F0施加到控制電極)，等等。
圖20和23中示出的調整單元100、200的功能是相似的。在所述兩個調整單元中，使復缺省信號(輸入信號)x(t)和下混頻(到-ω0)的調制信號之間的積分誤差最小化。在圖20中，為了實現(xiàn)該目的，再次對誤差進行上混頻和三元量化，其中，量化器112確定調制狀態(tài)。這導致使積分誤差最小化的閉合控制環(huán)路。然而，在圖23中，在特定時間點上，針對于在每種情況下出現(xiàn)的積分誤差而嘗試并分析所有可能的調制狀態(tài)a)至d)。對于狀態(tài)a)和d)，調制信號(更精確地力)在此實施例中為0，并且因此，積分誤差(直到x(t))保持不變，同時在級b)和c)中，減去/加上下混頻的調制信號。對于所有調制狀態(tài)a)至d)，通過誤差塊206至214而分析復積分誤差。結果，判定元件210找到最優(yōu)調制狀態(tài)a)、b)、c)或d)，并將切換元件205設置到對應的位置，以便可以根據所選調制狀態(tài)，發(fā)生誤差與在傳感器215至218上存在的信號中的一個的積分。同時，通過脈沖生成單元(未在此處示出)，而生成根據該表的對應的調制信號，所述單元被判定元件210控制，并將所述調制信號施加到諧振器。所述信號可為二維或復信號。例如，誤差塊206至214形成它們的輸入信號的絕對值的平方，并將對應的信號轉發(fā)到判定元件210。
上面的描述提出了用于使用數(shù)字脈沖而激勵機械振動器的方法。還示出了可如何通過控制靜電彈簧常數(shù)的特定電極上的數(shù)字脈沖而調諧這樣的振動器的諧振頻率。下面的描述將示出可如何組合所述兩個方法，即，可如何僅使用兩個電極、而將諧振器的諧振頻率的調整與諧振器的振動的激勵/補償相結合。
上面的描述已經描述了這樣的方法，其提供用于可切換的彈簧常數(shù)的控制信號，使得由質量體和可切換彈簧構成的諧振器盡可能精確地近似具有預定諧振頻率的諧振器。圖19示出了可在兩個諧振頻率之間切換的調整系統(tǒng)。由于在圖22中示出的調整單元200中，有必要在ωb＝ωc的情況下在三個不同的諧振頻率之間切換、并且在ωb≠ωc的情況下甚至在四個諧振頻率之間切換(見上表)，所以，如果要將圖19中示出的調整系統(tǒng)與圖22中示出的調整系統(tǒng)相組合，則必須對應地擴展圖19中示出的調整系統(tǒng)。
圖23中示出的調整單元300提供了可能的解決方案調整單元300的特征在于第一分支301和第二分支301′。第一分支301的特征在于延遲元件302、第一至第四運算器303至306、第五至第八運算器307至310、第一至第四減法節(jié)點311至314、第一至第四誤差塊315至318、以及切換元件319。類似地，第二分支301′的特征在于延遲元件302′、第一至第四運算器303′至306′、第五至第八運算器307′至310′、第一至第四減法節(jié)點311′至314′、第一至第四誤差塊315′至318′、以及切換元件319′。
不妨假定，延遲元件302的輸出信號表示諧振器的模擬振動過程的瞬時狀態(tài)。將該輸出信號提供到運算器303至306的輸入，其中，每個運算器在振動模擬的瞬時狀態(tài)上模擬四個可生成的調制信號中的一個的影響。通過運算器307至310，而將運算器303至306的輸出信號變換為適于誤差分析的形式，從每個變換后的信號減去信號e-jω0t(在求和節(jié)點311至314)，并且，將由此得到的信號提供到誤差塊315至318。誤差塊315至318確定偏差、或由運算器303至306從瞬時期望值(e-jω0t)生成的輸出信號的偏差的測定，并將對應的偏差信號轉發(fā)到加法節(jié)點321至324。如在上表中指定的，這里的字母a)、b)、c)和d)表示相關的調制狀態(tài)，要測試其對諧振器的影響。
第二分支301′的功能對應于第一分支301的功能。同樣地，將在第二分支301′中由誤差塊315′至318′確定的偏差信號轉發(fā)到加法節(jié)點321至324。在每個加法節(jié)點321至324中，將由第一分支301生成的偏差信號加到由第二分支301′生成的偏差信號，其中，在每個加法節(jié)點中，加上與相同的調制信號相關的偏差信號(調制狀態(tài))。將所添加的偏差信號提供到判定元件320。
所述兩個分支301和301′的不同之處僅在于，在減法節(jié)點311至314中減去的信號的特征在于相對于在減法節(jié)點311′至314′中減去的信號優(yōu)選的π/2的相移。判定元件320以下述方式同時控制切換元件319和319′，即來自運算器303至306或303′至306′、且其與相應的另一個分支的對應偏差信號相加的相關偏差信號在幅度和相位方面具有相對于瞬時期望值(e-jω0t)的最小偏差的輸出信號被施加到延遲元件302或302′的輸入端。在此上下文中，ω0表示要調整到的諧振頻率。
當傳感器331/331′)連接到延遲元件302/302′的輸入端時，諧振器R被暴露于調制信號b)(即，力F0存在于控制電極上)，當傳感器332)/332′)連接到延遲元件302/302′的輸入端時，諧振器R被暴露于調制信號c)(即，力-F0存在于控制電極上)，等等。
因此，同時模擬了諧振器的兩個固有振動輪廓(在分支301、301′中的每個中模擬固有振動過程)，其中，將每個固有振動過程在幅度和相位方面與相關期望值/期望值輪廓(e-jω0t)相比較，并且，將一個固有振動過程的期望相位相對于另一個固有振動過程的期望相位移位相位π/2，其中-對于每個可生成的調制信號，在每個情況下將總偏差分配到兩個模擬(由誤差塊315-318或315′-318′生成的偏差信號)，從針對幅度和相位的瞬時期望值和對應模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，這將由此調制信號的維持、或向此調制信號的切換而產生。
-將相對于來自所述兩個模擬的相同的調制信號的總偏差相加(在加法節(jié)點321至324中)，其中，判定元件320確保諧振器被暴露于對應的總偏差和產生期望值輪廓的最佳近似的那個調制信號(a)、b)、c)或d))。
在此情況下，優(yōu)選地，在兩個反饋分支301、301′中模擬阻尼減小系統(tǒng)。對作為用于上環(huán)路中的內建過程的缺省的基準載波ejωt作出規(guī)定。對于下環(huán)路，將基準載波乘以j，由此產生π/2的相移。矩陣Ax*、Mx-1，x＝a，b，c，d，取以下形式Ax*=cos(ωxt)sin(ωxt)/(ωxt)-ωxsin(ωxt)cos(ωxt);]]>Mx-1=-1/ωxt001]]>圖24示出了調整實體400，其中，將來自圖22和23的調整單元200和300組合在一起，以形成單個單元，通過其，可將諧振器的諧振頻率ω和自激振動/讀出振動的幅度/相位同時調整到特定值。
在調整實體400中，在求和節(jié)點401至404中，將由誤差塊206至209生成的偏差信號加到由誤差塊315至318生成的偏差信號。轉而，求和節(jié)點401至404的輸出信號被加到由誤差塊315至318生成的偏差信號。僅添加與相同的調制信號相關的偏差信號，并且，因此，對于每個可生成的調制信號而得到“全局”偏差信號。
因此，通過將由調整單元200、300針對特定狀態(tài)a)、b)、c)和d)而確定的“各個誤差”相加，而應用總誤差準則。由判定元件420選擇具有最小集合誤差的狀態(tài)，并且確定當前調制狀態(tài)和切換設置(同時、且以同樣的方式切換切換器205、319和319′)。因為將集合誤差保持為盡可能的小，所以，總是將調整的優(yōu)先級賦予對集合誤差貢獻最多(即，具有最大的“調整需要”)的物理變量。
可不同地配置誤差塊206至209、315至318、以及315′至318′，以便不同地對相關偏差信號加權。例如，可對用于諧振頻率的調整、以及用于自激振動/讀出振動的調整的各個誤差不同地加權，或者形成相對于缺省函數(shù)的量和相位偏差，并且，從中導出誤差準則。激勵經由通過上混頻到諧振頻率ω、根據同相和正交分量而分離的(復)基帶信號x(t)而發(fā)生。僅在真實的振動器的參數(shù)(例如，ωa、ωb、ωc、ωd)已知具有足夠的精度的情況下，才可完成對此頻率ω的精確調諧。如果不是這樣的情況，則可通過附加的次級控制環(huán)路，而將矩陣Ax*和Mx-1，x＝a，b，c，d的元素調整到正確值(即，確定ωa、ωb、ωc、ωd，并相應地形成矩陣Ax*和Mx-1，x＝a，b，c，d)。
在對稱電極的情況下，ωb＝ωc且Fa＝Fd＝0。此事實可用于開發(fā)簡化系統(tǒng)，這是因為，同樣的系統(tǒng)部件是節(jié)約的圖25示出了由調整單元200′、以及調整單元300′構成的調整單元500。在調整單元300′中，不檢查調制信號c)對模擬的固有振動過程的效果，這是由于，該效果與調制信號b)將對模擬的固有振動過程的效果相同。在調整單元200′中，不檢查調制信號d)對調諧器的振動過程的效果，這是由于，該效果與調制信號a)將對調諧器的振動過程的效果相同。加法節(jié)點的配置也相應地不同。
附件1通用到對稱的狀態(tài)變量形式的轉換假定2階通用離散系統(tǒng)的轉移矩陣A為A=a11a12a21a22---(34)]]>此外，令g=a22-a112---(35)]]>f＝g2+a12a21(36)h=|f|---(37)]]>b1=a12h---(38)]]>b2=gh---(39)]]>那么，對于f＜0，其中，M=1b10-b2b11;M-1=b10b21---(40)]]>給出對稱系統(tǒng)的轉移矩陣A′
其中，c=a11+a222---(42)]]>其中，N=(12j2)j212;N-1=(12-j2)-j212---(43)]]>由此，A′′=N·M·A·M-1·N-1=N·A′·N-1=c-jh00c+jh---(44)]]>(約旦正規(guī)形式)。
附件2二階二次矩陣的求冪假定二階二次矩陣為A=a11a12a21a22---(45)]]>此外，令g=a22-a112---(46)]]>f＝g2+a12a21(47)h=|f|---(48)]]>c=a11+a222---(49)]]>那么，對于f＜0eA=eccos(h)-gsin(h)ha12sin(h)ha21sin(h)hcos(h)+gsin(h)h=ec(cos(h)1001+sin(h)h-ga12a21g)---(50)]]>并且，對于f＞0eA=eccosh(h)-gsinh(h)ha12sinh(h)ha21sinh(h)hcosh(h)+gsinh(h)h=ec(cosh(h)1001+sinh(h)h-ga12a21g)---(51)]]>假定cox(f)=cos(-f)f<01f=0cosh(f)f>0---(52)]]>six(f)=sin(-f)-ff<01f=0sinfff>0---(53)]]>
則對于eA給出eA=ec(cox(f)1001+six(f)-ga12a21g)---(54)]]>
權利要求
1.一種通過使用脈沖調制器(8)而將特別是動態(tài)系統(tǒng)的物理系統(tǒng)的物理變量控制/調整為特定的期望值/期望值輪廓的方法，通過所述脈沖調制器生成離散調制信號序列，其中，所述信號實現(xiàn)物理變量的控制/調整，其特征在于，重復執(zhí)行以下步驟a)確定物理變量的瞬時期望值和瞬時實際值之間的偏差的確切值或近似，b)確定將源自瞬時調制信號的維持、或到其它調制信號的切換的偏差的相應改變，c)生成導致瞬時期望值的最佳近似的那個調制信號。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該系統(tǒng)為具有諧振器(R)的微機械傳感器(1)。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，必須被控制/調整的物理變量為諧振器(R)的諧振頻率。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于，必須被控制/調整的物理變量為諧振器(R)的變量的幅度/相位。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，-為了調整諧振器(R)的諧振頻率，模擬源自調制信號序列到達諧振器(R)的諧振器(R)振動響應，并且在模擬中，選擇調制信號序列，以便產生用于諧振器(R)的振動的期望值輪廓的最大精確近似，其中，用于振動的期望值輪廓的頻率是必須被調整的諧振頻率，并且，-諧振器(R)受到由此得到的調制信號序列的影響。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，通過在模擬中、將振動響應的幅度和相位同時調整到特定的期望值/期望值輪廓，而實現(xiàn)用于調整諧振頻率的調制信號序列的生成，其中a)為每個可生成的調制信號計算有效總偏差(ea，eb)，從瞬時期望值和如在模擬中調整的對應值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自該調制信號的維持、或到該調制信號的切換，b)選擇所計算的有效總偏差(ea，eb)最小的那個調制信號，c)反復地重復步驟a)和b)。
7.如權利要求5或6所述的方法，其特征在于，同時模擬諧振器的兩個振動響應，所述響應源自調制信號序列到達諧振器(R)，其中，對于每個振動響應，將振動響應的幅度和相位同時調整到特定期望值/期望值輪廓，并且，將一個振動響應的期望相位相對于另一個振動響應的期望相位移位相位π/2，其中a)對于每個可生成的調制信號，對所述兩個模擬的每一個分配有效總偏差(ea1、eb1、ea2、eb2)，該有效總偏差從模擬的瞬時期望值和在模擬中調整的對應值之間的偏差的和導出，其將源自調制信號的維持、或到該調制信號的切換，b)累加來自所述兩個模擬的、關于同一調制信號的有效總偏差，c)選擇在先前步驟中計算的總和(ea、eb)最小的那個調制信號，d)反復地重復步驟a)到c)。
8.一種用于將特別是動態(tài)系統(tǒng)的物理系統(tǒng)的物理變量控制/調整為特定的期望值/期望值輪廓的裝置，所述裝置的特征在于脈沖調制器(8)，通過該脈沖調制器可生成離散調制信號序列，其中，所述信號實現(xiàn)物理變量的控制/調整，其特征在于a)比較單元(E)，通過該比較單元，有可能確定物理變量的瞬時期望值和瞬時實際值之間的偏差的確切值或近似，b)計算單元(20、22、24)，其連接到比較單元(E)，并且通過該計算單元，有可能計算如由比較單元確定的、并將源自瞬時調制信號的維持或到其它調制信號的切換的偏差的相關改變，c)判定單元(27)，其連接到計算單元(20、22、24)，并且，取決于由比較單元計算的偏差改變，而判定哪個調制信號導致瞬時期望值的最佳近似，其中，可由判定單元(27)控制由脈沖調制器(8)生成的調制信號序列。
9.一種用于使用脈沖調制器、而將特別是動態(tài)系統(tǒng)的物理系統(tǒng)的至少兩個物理變量同時控制/調整為特定的期望值/期望值輪廓的方法，所述脈沖調制器生成離散調制信號序列，所述序列實現(xiàn)物理變量的控制/調整，其中，a)對于每個可生成的調制信號(a、b、c、d)計算有效總偏差，從物理變量的瞬時期望值和對應的實際值之間的偏差的確切值或近似的和得到所述總偏差，其將源自此調制信號的維持、或到此調制信號的切換，b)使用具有最小的所計算的有效總偏差的那個調制信號進行調整，c)反復地重復步驟a)和b)。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，該系統(tǒng)為具有諧振器(R)的微機械傳感器。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，要被控制/調整的物理變量為諧振器(R)的諧振頻率、或自激振動/讀出振動的幅度/相位。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，在調整諧振器的諧振頻率時，如下確定與此相關的諧振頻率偏差近似，其中，在步驟a)中確定所述近似-模擬諧振器的固有振動過程，其中，諧振器將在特定振動初始條件下、且在受到由脈沖調制器在先前生成的調制信號影響之后執(zhí)行該過程，-計算每個可生成的調制信號將對模擬的諧振器的固有振動過程具有的影響，并且，將假想產生的固有振動輪廓與具有相同的振動初始條件且其振動頻率為必須被調整的諧振頻率的固有振動期望值輪廓相比較，-其中，假想產生的固有振動輪廓與固有振動期望值輪廓之間的偏差表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，假想產生的固有振動輪廓與固有振動期望值輪廓的比較包括所述輪廓的對應的幅度和相位的比較，其中-針對每個可生成的調制信號計算總偏差，從用于幅度和相位的瞬時期望值和對應模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，其分別將源自此調制信號的維持、或到此調制信號的切換，-總偏差表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，同時模擬諧振器的兩個固有振動過程，其中，針對幅度和相位，將每個固有振動過程與相關期望值/期望值輪廓相比較，并且，將一個固有振動過程的期望相位相對于另一個固有振動過程的期望相位移位相位π/2，其中-對于每個可生成的調制信號，在每個情況中對所述兩個模擬分配總偏差，從用于幅度和相位的瞬時期望值和對應模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，其分別將源自此調制信號的維持、或到此調制信號的切換，-累加來自所述兩個模擬的關于同一調制信號的總偏差，其中，在先前步驟中計算的和表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
15.一種將特別是動態(tài)系統(tǒng)的物理系統(tǒng)的至少兩個物理變量同時控制/調整為特定的期望值/期望值輪廓的實體(400、500)，所述實體特征在于脈沖調制器，通過該脈沖調制器，有可能生成離散調制信號序列，所述序列實現(xiàn)物理變量的控制/調整，其特征在于-計算單元(200、200′、300、300′)，其對于每個可生成的調制信號計算有效總偏差，從物理變量的瞬時期望值和對應的實際值之間的偏差的確切值或近似的和導出所述有效總偏差，其將源自此調制信號的維持、或到此調制信號的切換，-判定單元(420)，該判定單元連接到計算單元，并取決于由計算單元計算的有效總偏差而判定對于哪個調制信號來說、所計算的有效總偏差將最小，其中，該判定單元控制由脈沖調制器生成的調制信號序列。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于針對設置值的特定進程而控制/調整動態(tài)系統(tǒng)的物理量的方法。對此，使用生成離散調制信號序列的脈沖調制器，該序列影響物理量的控制或調整。重復執(zhí)行下面的步驟a)確定物理量的瞬時設定值和瞬時實際值之間的偏差的確切值或近似；b)確定將源自瞬時調制信號的維持、或到其它調制信號的移動的偏差的相應改變；以及c)生成導致瞬時設定值的最佳近似的調制信號。
文檔編號G01C19/56GK101065641SQ200580040229
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月21日 優(yōu)先權日2004年11月24日
發(fā)明者岡特·斯帕林格 申請人:利特夫有限責任公司